建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題思考

蔡慧

摘 要：本文從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系、概念、方案比選、設(shè)計(jì)調(diào)研四個(gè)方面，舉例闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題做出了思考，歸納了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四個(gè)原則，全面考慮安全、經(jīng)濟(jì)、可建造性，設(shè)計(jì)出優(yōu)秀作品。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系；設(shè)計(jì)調(diào)研；可建造性；設(shè)計(jì)原則

1 引言

建筑是滿足人們美好生活向往的空間，結(jié)構(gòu)則為之提供安全保障。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)乎人身財(cái)產(chǎn)安全，發(fā)生事故后果無(wú)法估量。結(jié)構(gòu)工程師必須堅(jiān)持原則、精心設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量，為保證建筑安全、經(jīng)濟(jì)和美觀提供保障。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題與思考

2.1 拘泥于建筑表象，結(jié)構(gòu)體系效率低

由于不同結(jié)構(gòu)形式具有不同的適用性，通常建筑方案確定后，結(jié)構(gòu)工程師能根據(jù)建筑的功能和布局，直接判斷出合適的結(jié)構(gòu)體系。比如商場(chǎng)多為框架結(jié)構(gòu)，高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)，工業(yè)廠房則采用鋼結(jié)構(gòu)門(mén)式剛架。但是有時(shí)如果打破常規(guī)思維，創(chuàng)新性運(yùn)用結(jié)構(gòu)體系也能取得更好的效果。

如圖1所示，是一個(gè)既有混凝土剛架的倉(cāng)庫(kù)，采用樁基礎(chǔ)承擔(dān)豎向壓力和水平推力。受右側(cè)不遠(yuǎn)處一基坑降水影響，右側(cè)柱腳處土體松動(dòng)，造成柱腳產(chǎn)生位移，剛架出現(xiàn)裂縫，業(yè)主委托設(shè)計(jì)單位進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。原加固方案是在加固混凝土剛架，基礎(chǔ)增設(shè)工程樁并加大承臺(tái)，工程量及施工難度巨大，且基礎(chǔ)加固質(zhì)量較難保證優(yōu)化方案是不改變?cè)谢A(chǔ)，在兩端承臺(tái)之間增設(shè)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，用以抵抗剛架的水平推力。該方案不僅極大地降低了成本和縮短工期，施加預(yù)應(yīng)力內(nèi)部消化水平推力的結(jié)構(gòu)體系，充分發(fā)揮了材料的性能，效果明顯優(yōu)于增加工程樁方案。

2.2 概念不清晰，過(guò)度依賴計(jì)算機(jī)

結(jié)構(gòu)分析軟件為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極大便利，但是軟件有其局限性，對(duì)一些特殊情況無(wú)法識(shí)別，計(jì)算含糊不清。而實(shí)際工程中，我們經(jīng)常會(huì)遇到軟件無(wú)法處理或者處理不當(dāng)?shù)那闆r，如果自身概念不清晰，對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)法進(jìn)行判斷和把握，按計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)出圖，很可能由于模型與實(shí)際不符，造成設(shè)計(jì)結(jié)果安全度不夠。

單層地下室外墻設(shè)計(jì)，通常簡(jiǎn)化為上端簡(jiǎn)支、下端固定的單向受力板計(jì)算模型，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況判別是否符合這一計(jì)算假定。比如在頂板處存在較大開(kāi)洞時(shí)，墻頂雖然設(shè)有框架梁，但是在水平力作用下，框架梁無(wú)法對(duì)墻頂水平位移形成足夠約束，墻體更接近懸臂狀態(tài)。這種情況下，如果還按照上述計(jì)算假定，則造成墻底彎矩計(jì)算值偏小，地下室回填后，很可能造成墻體開(kāi)裂甚至破壞。

2.3 基礎(chǔ)選型草率，缺乏方案比選

結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工圖是整套設(shè)計(jì)圖紙付諸實(shí)踐的第一步，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)又必須在上部結(jié)構(gòu)布置、荷載確定后才能進(jìn)行，很多工程中甚至采取邊施工基礎(chǔ)邊進(jìn)行地上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式趕工期。因此存在設(shè)計(jì)人員來(lái)不及仔細(xì)考慮，便根據(jù)地勘選取最直接的建議方案進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的情況，一方面容易因考慮不當(dāng)造成安全隱患，另一方面由于未進(jìn)行有效的方案比選較大的增加了工程成本。

筆者最近接觸的一個(gè)案例，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行地下室和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，采取梁板式筏板+抗拔樁基礎(chǔ)，采取筏板降標(biāo)高、基礎(chǔ)梁和承臺(tái)上翻至底部與筏板平、回填土至建筑標(biāo)高的方式輔助抗浮。單從抗浮這一方面來(lái)比較，減少了一定量的抗拔樁，看似是節(jié)省了造價(jià)。然而設(shè)計(jì)師沒(méi)有考慮到的是，這種上翻梁需要大量的吊模，模板和人工消耗巨大。更為麻煩的是，上返梁將底板劃分成8.4mx8.4m的棋盤(pán)網(wǎng)格，回填工作難度極大，且回填土壓實(shí)質(zhì)量很難得到保證。業(yè)主的工期要求，底板施工完成后，正好趕上建設(shè)所在地區(qū)禁止土方作業(yè)，必須先施工上層樓板，待土方作業(yè)禁令接觸后再回填土，上翻梁的存在又限制了機(jī)械運(yùn)土的凈空要求。最后根據(jù)筆者提出的取消上翻梁，底板采用倒無(wú)梁樓蓋的優(yōu)化方案，趕在工期節(jié)點(diǎn)前出具優(yōu)化施工圖，既節(jié)省了人工、材料費(fèi)用，又保證了工期。

2.4 設(shè)計(jì)調(diào)研不充分，不能因地制宜

我國(guó)幅員遼闊、資源豐富，但是資源分布不均衡，經(jīng)濟(jì)發(fā)展也存在巨大差距。同一個(gè)建筑方案，在不同地區(qū)可能就得采取不同的建筑材料或施工工藝，如果設(shè)計(jì)階段不進(jìn)行充分的調(diào)研和資料搜集，就可能因設(shè)計(jì)原因，給建設(shè)單位的采購(gòu)、施工等帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)和困難。

比如西南部分地區(qū)，砌體填充墻多采用的是頁(yè)巖多孔磚，如果設(shè)計(jì)采用加氣混凝土砌塊，而設(shè)計(jì)荷載又未放大，就可能后期由于必須改頁(yè)巖多孔磚造成墻體設(shè)計(jì)荷載不夠。再比如某個(gè)偏遠(yuǎn)山區(qū)縣城的學(xué)校，局部大跨度，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，而當(dāng)?shù)刂苓叺貐^(qū)都沒(méi)有具備預(yù)應(yīng)力施工能力和經(jīng)驗(yàn)的公司，最后不得不為一兩根梁從外地聘請(qǐng)預(yù)應(yīng)力施工單位。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

3.1 合理選擇結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)建筑之美

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)不再拘泥于規(guī)則化、模數(shù)化的方案，在建筑高度、結(jié)構(gòu)跨度、獨(dú)特造型等方面的要求越來(lái)越高。根據(jù)不同建筑方案，通常需要對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比選、組合，才能更好的實(shí)現(xiàn)或者優(yōu)化建筑方案。

3.2 強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型

當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建模和計(jì)算工作，都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)軟件的支持，尤其是一些超高、超限結(jié)構(gòu)，還需要多軟件的計(jì)算復(fù)核。但是不同結(jié)構(gòu)的計(jì)算假定、荷載傳遞路徑、部分計(jì)算參數(shù)和分析模式各有不同，而軟件中對(duì)一些非常規(guī)布置并不能進(jìn)行智能處理，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)概念有清晰的認(rèn)識(shí)，能夠?qū)τ?jì)算模型的準(zhǔn)確性和合理性進(jìn)行判斷和調(diào)整。

3.3 重視地勘報(bào)告，優(yōu)化基礎(chǔ)選型

基礎(chǔ)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，除了關(guān)注地勘報(bào)告中提供的土層的分布和物理參數(shù)，還需要關(guān)注建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)可能存在的不良地質(zhì)災(zāi)害、特殊性土、抗浮設(shè)計(jì)水位、地下水的腐蝕性等諸多可能因素。對(duì)地勘報(bào)告建議的基礎(chǔ)形式，應(yīng)根據(jù)地上結(jié)構(gòu)布置、設(shè)計(jì)標(biāo)高、施工可行性等，結(jié)合所在地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行全面比選，選出最合理的基礎(chǔ)方案。

3.4 結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)服務(wù)建造

設(shè)計(jì)工作是決定建筑優(yōu)劣的重要環(huán)節(jié)，但實(shí)際建造過(guò)程則直觀的決定工程的質(zhì)量和效果。設(shè)計(jì)人員除了關(guān)注設(shè)計(jì)，還需要考慮建造的可行性與便利性，否則施工單位拿到不切實(shí)際的圖紙，強(qiáng)行施工可能很難保證工程質(zhì)量，或者無(wú)形中增加建造成本，浪費(fèi)社會(huì)資源。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)乎人身財(cái)產(chǎn)安全，需要本著面對(duì)工程無(wú)小事的態(tài)度開(kāi)展每一個(gè)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)工程師除了從結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，還要不斷拓展工程施工、工程經(jīng)濟(jì)方面的知識(shí)，在保證建筑安全、美觀的同時(shí)，使自己的作品更經(jīng)濟(jì)、更切合實(shí)際建造需求。

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